【物理】電車内で飛行する虫

電車内で飛んでいる虫が、電車の速度についてこられるのを不思議に思い
自分なりに調べたところ、
「電車内の空気が一緒に前方に動いているため、虫は風を受けているのと同じ状況になり、前方への加速度を受けている。そのため窓や天井が空いていれば虫は後方に吹き飛ぶ。」
との情報を得ました。

そこでふと疑問に思ったのですが、
風の影響を受けないほど質量のある物体が浮遊していた場合も、虫と同様の結果になるのでしょうか。
例えば鳥やドローン、あるいは人間程度の質量をもつ物体があるとして、

窓などの閉まった電車内に立っている（接地している）
↓
電車加速、その後一定の速度を維持
↓
物体浮遊、その後その状態を維持

上記の順で運動がおこったとき、物体は電車の移動速度に永続的についていけるのでしょうか。
理論的には慣性の法則に従って電車と同じ速度で移動し続けるように思われるのですが、
現実世界での実験を行った場合、どのような結果になると予想されますか？

特に根拠の無い私の感覚では徐々に速度についていけなくなるのではないかと考えています。


物理学などに詳しい方いらっしゃいましたら、ご教授いただければ幸いです。

No.11 回答者： puyo3155 回答日時： 2023/04/13 17:28

「電車内の空気が一緒に前方に動いているため、虫は風を受けているのと同じ状況になり、前方への加速度を受けている。

そのため窓や天井が空いていれば虫は後方に吹き飛ぶ。」

は間違いではありませんが、誤解を生みますね。

実際に、リアカーの上に虫がいて、一度もリアカニー接触しない場合、リアカーを加速すれば、虫は置いていかれます。

ただ条件を明確にしないと、空論になってしまいます。

電車の中の話は２つの話がごちゃまぜになっているのです。

①　電車が加速中、虫は電車に停まっている場合。

電車が定速運転になったとき、すでに虫は電車と同じ横向き速度で動いています。そうなると、電車を離れ電車内を飛び回っても、電車の動きに置いていかれることはありません。この状況は、空気がない場合も同じです。まさに慣性の法則。われわれが、実は宇宙空間を秒速600kmというものすごい速度で動いているのに、普段はまったく意識せず、地球に対しての速度だけを感じていることと同じですね。

②　電車が加速中のとき、一度も電車に虫が停まらない場合。

もし空気がなければ、

電車が加速中に虫は置いていかれます。あくまで虫は、地球に関して動いているだけだからです。リアカーの加速の場合と同じです。

空気がある場合は、

密閉空間の空気も慣性の法則を受けますが、密閉のため圧力がかかると平準化され、空気自体は電車と同期します。その空気の圧力を受けて、加速中の虫も、電車に停まってなくても、電車と同じ速度までそんなに時間差なく加速されることになります。いったん加速され、定速運転の電車と同じの横向きの速度を得れば、あとは、慣性の法則で電車の中を自由に動き回り、電車に置いていかれることはありません。

このように、いろいろ条件を厳密にしないと、ただの言葉遊びになってしまいます。

No.10 回答者： ssawatake 回答日時： 2023/04/13 13:10

No.7の続きです。

アインシュタインの等価原理により、重力と慣性力は区別が出来ない訳なので、先ず、この筒が無重力空間で加速する場合を考えます。

図の上側です。
この筒の中での重力の方向は右になります。
地上で右側を下にして筒が立っている状態と同等です。

なので、風船は左へ移動します。

図の下側。
地上で加速した場合の図です。
重力と慣性力の合力によって、筒の中での重力の方向は右下になります。

なので、風船は左斜め上側へ移動します。

これは日常生活でも経験出来ます。
車内へヘリウム入りの風船を放すと天井へくっ付きます。

この状態で、車を左へ急発進すると、天井へくっ付いていた風船が進行方向(前)へと移動します。

No.9 回答者： yhr2 回答日時： 2023/04/12 20:50

No.8 です。

もう一つの「ヘリコプターのホバリング」を見て、質問者さんはやはり

「何も力が働かなければ、物体はその場に静止しいる。その間に『地球』や『電車』は動いて行く」

とお考えみたいですね。

そうではないんです。
ニュートンの力学の第１法則は

「物体に力が働かない場合（物体に働く力の合力が0 Nの場合も含む）， 物体は静止し続けるか，等速度運動する」
https://w3e.kanazawa-it.ac.jp/math/physics/high- …
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%81%8B%E5%8B%95 …

です。
電車の中の虫も、ヘリコプターも、電車や地球や周りの空気と一緒に「等速度運動している」のです。


質問文に書かれている
「電車内の空気が一緒に前方に動いているため、虫は風を受けているのと同じ状況になり、前方への加速度を受けている。そのため窓や天井が空いていれば虫は後方に吹き飛ぶ。」
は誤りですからね。「加速度」は受けていません（重力は別として）。
空気のない月の上や、月の上を走る電車でも同じです。

この回答へのお礼

詳しくありがとうございます！

おそらく、ご提示いただいた力学の第一法則？への直感的な違和感が大元にあり、
・接地時に持っていた運動エネルギーは、浮遊後も慣性により保持している。
は理解しても、
・その後半永久的に浮遊していても、変わらず接地時のエネルギーを保持し続ける。
が理解できていなかったんだと思います。

そのため納得できる仮説として
「慣性の法則で保持している運動エネルギーのほかに、一緒に移動している大気に支えられているのも要因の一つである」
となり、上記の質問に至りました…

虫の例を調べたときに得た誤った答えが、仮説に当てはまって見えたのもよくなかったです…

お礼日時：2023/04/13 09:59

No.8 回答者： yhr2 回答日時： 2023/04/12 17:31

そもそも、あなた自身が「太陽の回りを公転し、自分自身も自転している」地球の上に、平気に生活しているのですよ。

宇宙に静止している宇宙人から見れば、ものすごい速さで宇宙を運動しているのに。

あなたの運動は、「地球」や「地球の上の大気」と一緒に運動しているから、「まるで地球の上に、空気と一緒に静止しているような気がしている」のですよ。
電車の中の虫が（電車に乗っているあなたも）、「電車」や「電車の上の空気」と一緒に運動しているから、「まるで電車の上に、電車や電車の中の空気と一緒に静止しているような気がしている」のです。

No.7 回答者： ssawatake 回答日時： 2023/04/12 16:51

「浮遊している」が曲者です。

下図で、水槽に水を満たせて、水槽内に空気の入った風船を糸で結びます。

この状態で、水槽を矢印つまり左へ急加速した場合、風船は左右のどちら側へナビクと思いますか？

この回答へのお礼

この容器が密封されていて、水が隙間なく入っているのであれば、
水槽の加速と同時に水も同様の動きをする(?)
↓
風船は水を押しのけるほど重くないので、加速についていく…？

あるいは風船の質量など関係なく、慣性により右になびくのでしょうか…？

この問いの答えが、私が知りたかったもの答えな気がします！

お礼日時：2023/04/13 09:33

No.6 回答者： libuttery 回答日時： 2023/04/12 16:23

今回は、この現象が浮遊している物体の質量にかかわらず起こるものなのかを伺いたく、質問させていただきました」←？

空気にも質量はあるが？https://www.google.com/search?q=%E7%89%A9%E4%BD% …

No.5 回答者： angkor_h 回答日時： 2023/04/12 15:36

電車内で飛んでいる虫の場合は、

電車内の空気に対して移動しているだけです。

> 風の影響を受けないほど質量のある物体が浮遊していた場合
逆に、そんなものは浮遊できません。
そんなものが浮遊するならば、何らかの形で車両に固定されているはず、
車両と一緒に動く固定媒体に引っ張られるだけです。

電車内に水槽を置き、そこに水を入れていた場合、
電車が一定速度であれば、慣性で一緒に移動します。
電車が加速すれば、水は置いて行かれるので後方に移動します。
つまり、水面が傾きます。

電車内で人間が建っているとき、電車が加速すれば、
置いていかれない様に体を前方に傾けて踏ん張ります。
電車の加速力に対して、人間も力を出して対抗しているのです。
踏ん張らなければ(力を出さなければ)、後ろに転がっていきます。

ご参考まで。

No.4 回答者： taunamlz 回答日時： 2023/04/12 15:24

ロケットで宇宙に行った人が、ロケットの中を無重力で浮いているのを見たことがありますか？

あれがまさに、あなたの言った状態と同じです。

ロケットが加速後、一定の速度を維持して地球の周りを回り続けています。
ということで、現実世界でも永続的についていけます。

この回答へのお礼

確かに！！！！
映像で見る内部のイメージが強すぎて思い至りませんでしたが、ロケット本体は移動し続けてますね！！

地球上、重力がある条件で考えても、
浮遊してその状態を維持→重力と同程度の上方向の力が働いている
で同様の結果になりそう…

めっちゃわかりやすい例をありがとうございます！

お礼日時：2023/04/12 15:37

No.3 回答者： phj 回答日時： 2023/04/12 15:23

現実世界では「空気であっても慣性の法則を受ける」です。

新幹線に乗ると分かるのですが、出発時に強い加速をすると車内の空気は静止慣性の影響で動くのが遅くなります。たばこの煙でいえば、停車時に中央付近をただよっていた煙は加速に従って後ろの方に移動します。

最後部の席は気圧が少し上がり、最前部は気圧が少し下がります。これは車両入口のドアの隙間に手を当てても、最前部は車内に空気が流入、最後部はデッキ部に流出するので観測可能です。

逆にブレーキをかけるとやはり慣性の法則で空気が前に集まります。煙なら中央から前のほうに移動し、ドアの隙間風は加速時と逆に動きます。

私は耳が悪く、気圧の変化に敏感でエレベーターで１０階ぐらい移動すると耳が痛くなるので、新幹線などの席は必ず真ん中に座ります。

No.2 回答者： 熊のプー〇ン大統領 回答日時： 2023/04/12 15:05

あれ？？

引力は何処いった？？？